基于場(chǎng)地小氣候特征的草本植物群落設(shè)計(jì)研究

王晶懋 劉暉 吳小輝 宋菲菲

自然界所擁有的生態(tài)系統(tǒng)，同樣也存在于城市建成環(huán)境的小尺度空間之中，并且受人類活動(dòng)的影響最為直接。動(dòng)植物群落和生境共同構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)，日照、空氣溫濕度、風(fēng)以及土壤濕度等生境因子與場(chǎng)地設(shè)計(jì)要素關(guān)系密切，因此城市小尺度空間環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)是能夠被設(shè)計(jì)營(yíng)建的[1]。Herbert A. Simon在《人工智能》（TheSciences of the Artificial）一書(shū)中根據(jù)場(chǎng)地尺度和比例的不同，將小型游園空間界定為小尺度城市景觀[2]。城市小場(chǎng)地尺度綠地與城市居民的日常生活聯(lián)系更為緊密，數(shù)量多且分布廣泛，在城市中能夠發(fā)揮重要的生態(tài)價(jià)值，能有效調(diào)節(jié)城市區(qū)域的溫室效應(yīng)，改善局部小氣候狀況。筆者以西安建筑科技大學(xué)南門(mén)花園建設(shè)為研究對(duì)象，在按照小氣候因子劃分場(chǎng)地生境分區(qū)的基礎(chǔ)上，探討如何基于場(chǎng)地小氣候特征進(jìn)行城市小尺度綠地內(nèi)植物群落的設(shè)計(jì)，力求最大限度地發(fā)揮植物群落的生態(tài)效益。

1 城市風(fēng)景園林小氣候與場(chǎng)地生境營(yíng)造的關(guān)系

1.1 多學(xué)科背景下的城市風(fēng)景園林小氣候研究

城市小氣候是在人為的特殊下墊面的影響下所形成的。城市小氣候特征主要是由下墊面類型、地形變化、植被狀況、建筑布局等因素決定的[3]。目前，風(fēng)景園林小氣候的研究大多是農(nóng)業(yè)小氣候和森林小氣候研究?jī)?nèi)容與方法的移植，屬于觀測(cè)、量化研究，成果多傾向于大尺度空間城市綠地的小氣候特征，生態(tài)效益分析以及人體舒適度指標(biāo)比較[4-6]。各類小氣候研究的落腳點(diǎn)均是溫度、濕度、降水、光照以及風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素，而城市風(fēng)景園林小氣候與場(chǎng)地生境條件聯(lián)系較為緊密，同時(shí)場(chǎng)地生境類型也受日照、降水、風(fēng)環(huán)境等氣象因子影響。

城市風(fēng)景園林小氣候受地形豎向設(shè)計(jì)、鋪裝選擇、建筑物與構(gòu)筑物布局等人工干預(yù)措施的影響，這種對(duì)場(chǎng)地環(huán)境進(jìn)行人工干預(yù)或營(yíng)建的方式是“生境營(yíng)造”。因此，城市人居環(huán)境的改善可以通過(guò)運(yùn)用多學(xué)科交叉方法，結(jié)合風(fēng)景園林學(xué)、氣象學(xué)、生態(tài)學(xué)和工程技術(shù)等學(xué)科專業(yè)知識(shí)，充分考慮與利用植物生長(zhǎng)所需的水、光、熱、養(yǎng)分等生境因子，制定基于小氣候適應(yīng)性的不同生境類型下植物群落設(shè)計(jì)策略與目標(biāo)，從而形成人工干預(yù)下的植物群落棲息地（圖1）。

1 通過(guò)場(chǎng)地生境營(yíng)造指導(dǎo)植物群落設(shè)計(jì)Guiding the design of plant community through site habitat construction

1.2 結(jié)合場(chǎng)地生境營(yíng)造進(jìn)行植物群落構(gòu)建

生境類型劃分是通過(guò)生境因子構(gòu)成研究確立基本的生境單元，從場(chǎng)地設(shè)計(jì)出發(fā)劃分不同類型的生境單元，建立不同生境類型的基本設(shè)計(jì)方法，最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)人工營(yíng)建的方式來(lái)改善適宜生物群落自然演替生境條件[7]。應(yīng)對(duì)“有形”的實(shí)體空間設(shè)計(jì)，生境單元可以作為場(chǎng)地植物種植設(shè)計(jì)的“有形”單元，通過(guò)對(duì)生境單元內(nèi)的小氣候環(huán)境及其規(guī)律研究，確立不同生境單元中的植物群落結(jié)構(gòu)。

在場(chǎng)地生境營(yíng)造的基礎(chǔ)上進(jìn)行植物群落構(gòu)建，有利于從場(chǎng)地設(shè)計(jì)出發(fā)，結(jié)合場(chǎng)地空間形態(tài)結(jié)構(gòu)、立地條件、原生植被等構(gòu)建不同生境類型下的小氣候空間單元，最終以場(chǎng)地的小氣候特征為參照進(jìn)行植物群落設(shè)計(jì)，為植物演替提供適宜的場(chǎng)地環(huán)境條件，從而提高城市綠地斑塊的生物多樣性。

2 研究方法

2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

以位于西安建筑科技大學(xué)雁塔校區(qū)的南門(mén)花園為研究對(duì)象，其占地面積為841m2，地理坐標(biāo)為N 34°23'55"，E 108°96'77"。為了獲取場(chǎng)地日照條件和風(fēng)環(huán)境的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用美國(guó)產(chǎn)自動(dòng)氣象站Onset HOBO進(jìn)行觀測(cè)，分別布置在場(chǎng)地內(nèi)3個(gè)典型測(cè)點(diǎn)處，每5 min自動(dòng)記錄1次氣象數(shù)據(jù)。另外，于南門(mén)花園中共設(shè)22個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用浙江托普TZS-2X多參數(shù)土壤水分測(cè)定儀測(cè)定各測(cè)點(diǎn)的土壤含水率，為場(chǎng)地土壤水分條件提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 計(jì)算機(jī)模擬分析

在場(chǎng)地小氣候條件實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，確定不同生態(tài)因子主導(dǎo)的場(chǎng)地生境分區(qū)理論參數(shù)，借助AutoCAD軟件平臺(tái)，以C++編程語(yǔ)言形成插入工具箱，模擬生境因子影響下的生境分區(qū)。該生境分區(qū)軟件（SHZ）是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了生境營(yíng)造實(shí)驗(yàn)性研究的理論數(shù)據(jù)模型，是對(duì)小尺度場(chǎng)地綠地空間中差異的生境條件的數(shù)字化圖示表達(dá)[8]。

3 基于小氣候因子的場(chǎng)地生境類型劃分

3.1 場(chǎng)地氣候特征

所研究場(chǎng)地處于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)區(qū)，氣候特征為冬季寒冷，風(fēng)小，少雨雪；夏季炎熱多雨，伏旱突出，多雷雨大風(fēng)；春秋較短，夏冬較長(zhǎng)。年平均氣溫13.0℃～13.7℃，年降水量522.4～719.5 mm，7—9月為降水集中月份。年日照時(shí)數(shù)1 646.1～2 114.9 h。年平均風(fēng)速為1.3～2.6 m/s，春季風(fēng)速較大，秋季風(fēng)速較小，全年盛行風(fēng)向以東北風(fēng)為主。

3.2 場(chǎng)地生境因子分析

本研究將群落生態(tài)學(xué)中的生態(tài)因子理論引入場(chǎng)地生境分析中，場(chǎng)地中的生境因子包括：日照條件、建筑排水、地表匯水、土壤、大氣環(huán)境等，它們互相影響并共同決定了場(chǎng)地的生境類型。日照是生境分區(qū)的重要影響因子，土壤水分條件及理化性質(zhì)直接決定了植物的狀況，另外，受場(chǎng)地建筑物布局的影響，場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境也間接影響著空氣的溫濕度和植物蒸騰效應(yīng)等，從而影響場(chǎng)地的小氣候狀況。這些生境因子綜合影響了場(chǎng)地生境類型，但是這些生境因子中，一般只有2～3種因子對(duì)場(chǎng)地環(huán)境的影響較大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析，可以確定日照條件、土壤水分條件和風(fēng)環(huán)境是決定該場(chǎng)地生境類型劃分的主要影響因子。但是，西安市大風(fēng)日出現(xiàn)的頻率較小，并且持續(xù)時(shí)間短，城區(qū)風(fēng)速仍然屬于微風(fēng)范圍，對(duì)植物生長(zhǎng)的影響較小。在綜合分析各生態(tài)因子對(duì)其他因子影響的基礎(chǔ)上，考慮在場(chǎng)地設(shè)計(jì)中某些生態(tài)因子是否可被人工干預(yù)，最終認(rèn)定日照因子和水因子是主導(dǎo)因子，對(duì)于劃分場(chǎng)地生境類型和確定植物群落設(shè)計(jì)策略起著主導(dǎo)作用。

2 南門(mén)花園日照因子生境分區(qū)The zoning of sunshine factor habitat in South-gate garden

3 南門(mén)花園土壤干濕狀況The dry and wet condition of soil in South-gate garden

3.3 場(chǎng)地日照因子生境分區(qū)

在城市建成環(huán)境中，場(chǎng)地的構(gòu)筑物和植物對(duì)該區(qū)域日照條件有很大的影響，太陽(yáng)方位角在一天中的變化會(huì)直接影響場(chǎng)地陰影的分布，并且直接影響植被的日照條件，由無(wú)遮擋區(qū)域的陽(yáng)生條件轉(zhuǎn)變?yōu)殛幧鷹l件。除晝夜外，隨著季節(jié)的替換，日照條件也會(huì)隨之變化。任何一個(gè)地區(qū)的一天內(nèi)，上午和下午太陽(yáng)的位置對(duì)稱于正午，上午偏東，方位角為負(fù)值；下午偏西，方位角為正值。根據(jù)南門(mén)花園的實(shí)測(cè)結(jié)果，采用Hardiman L.和David Berle的分類方法，將場(chǎng)地生境初步分為全陽(yáng)生（6～8 h）、半陽(yáng)生（4～6 h，不包含6 h）、常陰生（0～4 h，不包含4 h）[9]。日照的影響因素為建筑物和喬木，因此將半陽(yáng)生分為植物半陽(yáng)生、東照半陽(yáng)生和西照半陽(yáng)生（圖2）。

3.4 場(chǎng)地水因子生境分區(qū)

根據(jù)南門(mén)花園地面不同的集水方式，場(chǎng)地的水源主要包括降水收集、人工補(bǔ)水、設(shè)備排水3類。

1）降水收集—建筑屋頂與低洼地的收集水。

場(chǎng)地水分來(lái)源主要是自然降水，降雨或降雪易在場(chǎng)地內(nèi)的低洼地形成匯水區(qū)，尤其是夏季降雨多時(shí)，集水效果更為明顯。周邊的建筑屋頂所承接的降水可以通過(guò)落水管補(bǔ)給場(chǎng)地用水。

2）人工補(bǔ)水—灌溉設(shè)施。

場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置若干灌溉設(shè)施，在降水量較少的時(shí)期進(jìn)行人工補(bǔ)水，并可以在人工水渠的導(dǎo)引下排入場(chǎng)地的低洼區(qū)域。

3）設(shè)備排水—空調(diào)滴水。

設(shè)備排水主要是指建筑外墻的空調(diào)外掛機(jī)所產(chǎn)生的冷凝水，鑒于西北半干濕地區(qū)的氣候特征，空調(diào)在夏季使用更為頻繁，滴水也常見(jiàn)于夏季。

按照土壤含水率的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以25%的土壤含水率（W）為分界線，將場(chǎng)地劃分為濕地和旱地兩大類。其中濕地生境類型包括積水濕區(qū)：降雨后形成明顯積水的區(qū)域；蔭蔽濕區(qū)：遮蔽物（植物、構(gòu)筑物）附近土壤W≥25%的區(qū)域；覆蓋濕區(qū)：覆蓋物（礫石、草本）附近土壤W≥25%的區(qū)域；徑流濕區(qū)：徑流過(guò)程后土壤W≥25%的區(qū)域。旱地生境類型包括蔭蔽干區(qū)：遮蔽物（植物、構(gòu)筑物）附近土壤W＜25%的區(qū)域；光照干區(qū)：受光后土壤W＜25%的區(qū)域（圖3）。

將6—9月視為雨季，其余月份視為旱季。再結(jié)合場(chǎng)地內(nèi)坡向、徑流、匯水、遮蔽物及覆蓋物的影響，將土壤干濕狀況劃分為旱季、雨季水因子生境分區(qū)。南門(mén)花園旱季水因子生境分區(qū)包括旱地、人工補(bǔ)水濕地、設(shè)備排水濕地（圖4），旱季水因子生境分區(qū)包括旱地、樹(shù)下旱地、人工補(bǔ)水濕地、設(shè)備排水濕地、建筑落水濕地、洼地匯水濕地（圖5）。

3.5 場(chǎng)地風(fēng)因子生境分區(qū)

在自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用Phoenics軟件對(duì)南門(mén)花園的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析。西安城市春季室外平均溫度為14.81℃、平均氣壓為101.52 kPa、平均風(fēng)速為2.14 m/s、主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，由于西安市春季主導(dǎo)風(fēng)向的平均風(fēng)速較大，故以春季為例對(duì)南門(mén)花園的風(fēng)環(huán)境狀況進(jìn)行模擬。計(jì)算機(jī)軟件的分析圖顯示場(chǎng)地在受周邊建筑影響下的平均風(fēng)速較小，主要分為無(wú)風(fēng)區(qū)和適風(fēng)區(qū)2個(gè)分區(qū)（圖6）。另外，通過(guò)軟件模擬顯示南門(mén)花園靠近建筑拐角處的風(fēng)速相對(duì)大一些，稱之為建筑邊角風(fēng)。

3.6 場(chǎng)地生境類型劃分

基于3種場(chǎng)地生境因子的觀測(cè)研究，生境類型劃分表現(xiàn)在日照時(shí)長(zhǎng)和土壤含水率2個(gè)方面的參數(shù)變化對(duì)植物群落棲息演替的影響，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析模擬與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，采用參數(shù)化數(shù)字模擬和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相結(jié)合的方法[7]，能夠驗(yàn)證南門(mén)花園存在9種典型的生境類型（圖7），即：建筑東照半陽(yáng)生旱地、建筑西照半陽(yáng)生旱地、建筑西照半陽(yáng)生濕地；植物半陽(yáng)生旱地、植物半陽(yáng)生濕地；建筑陰生旱地、建筑陰生濕地；植物陰生旱地、植物陰生濕地。

4 草本植物群落設(shè)計(jì)策略

4.1 針對(duì)場(chǎng)地小氣候因子的草本植物群落設(shè)計(jì)要求

場(chǎng)地小氣候因子包括日照、降水、氣溫、風(fēng)等，因此從小氣候因子入手分析南門(mén)花園的適應(yīng)性植物種植設(shè)計(jì)。結(jié)合小氣候因子的特殊性與差異性，草本植物群落的種植設(shè)計(jì)應(yīng)具有以下要求：1）日照：有效利用太陽(yáng)輻射，根據(jù)日照時(shí)長(zhǎng)，選擇適宜的陽(yáng)生、陰生草本植物；2）氣溫：注重調(diào)節(jié)場(chǎng)地溫濕度效應(yīng)，采取合理的植物配置方式影響熱量循環(huán)過(guò)程；3）降水：依據(jù)降水對(duì)場(chǎng)地土壤干濕狀況的影響，選擇適宜的旱生、濕生草本植物；4）風(fēng)：結(jié)合場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境狀況，在進(jìn)行植物種植設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免在形成建筑邊角風(fēng)的地方栽種植物。

4 南門(mén)花園旱季水因子生境分區(qū)The zoning of water factor of dry season in South-gate Garden

5 南門(mén)花園雨季水因子生境分區(qū)The zoning of water factor of rainy season in South-gate Garden

6 春季南門(mén)花園實(shí)驗(yàn)基地風(fēng)因子分區(qū)The zoning of wind factor of spring in Southgate Garden

7 南門(mén)花園生境類型劃分The zoning of habitat type in South-gate Garden

4.2 設(shè)計(jì)策略與目標(biāo)

場(chǎng)地的植物群落設(shè)計(jì)基于小氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)原則，根據(jù)植物的生活習(xí)性和場(chǎng)地基址條件，設(shè)計(jì)相應(yīng)的植物配置模式，形成形態(tài)各異、特色鮮明的植物景觀，在體現(xiàn)生態(tài)性設(shè)計(jì)的同時(shí)，滿足人們觀賞游憩的需求[10]。

植物群落設(shè)計(jì)主要考慮日照、氣溫、降水、風(fēng)4個(gè)方面對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。根據(jù)場(chǎng)地的生境類型劃分，針對(duì)不同生境分區(qū)的小氣候特征，以及建筑物和喬木對(duì)小氣候的影響，以“結(jié)構(gòu)層—季節(jié)主題層—地被層”為群落組構(gòu)模式提出了相應(yīng)的草本地被植物群落設(shè)計(jì)策略與目標(biāo)；結(jié)合不同生境區(qū)域小氣候特征，配合不同的地表覆蓋物類型，為群落生態(tài)設(shè)計(jì)提供適宜途徑（表1）。

4.3 草本植物群落模式構(gòu)建

草本植物群落模式構(gòu)建以人工植物群落設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)，不僅要考慮到植物群落的生態(tài)功能，而且要考慮其美學(xué)功能[11]。首先，植物群落生態(tài)功能是通過(guò)參照西北地區(qū)成熟自然草本植物群落的結(jié)構(gòu)而發(fā)揮的，其垂直結(jié)構(gòu)一般為2～3層，物種數(shù)為3～6種，存在互利共生的穩(wěn)定種間關(guān)系。其次，植物群落的美學(xué)功能主要由群落的外貌及季相變化特征體現(xiàn)，它隨著節(jié)氣的更迭而呈現(xiàn)不同的面貌，因此在進(jìn)行植物群落構(gòu)建時(shí)要注重植物的株型、葉色、花色及光影的變化[12]。

植物群落模式構(gòu)建需要建立在適應(yīng)場(chǎng)地小氣候條件的基礎(chǔ)上，按照穩(wěn)定性、多樣性、美觀性的構(gòu)建原則，以冬季“枯而不倒”的草本植物群落形態(tài)為主要建群種（圖8），形成以“地被層—季節(jié)主題層—結(jié)構(gòu)層”為主體的草本植物群落分層組構(gòu)模式（圖9）。這種植物群落構(gòu)建模式在增加場(chǎng)地物種多樣性與植物群落美觀度的同時(shí)，能夠形成一種新的種間關(guān)系平衡狀態(tài)，并且能夠在一定程度上改良土壤水分、物理性質(zhì)和微生物狀態(tài)。另外，這種草本植物群落模式的構(gòu)建也減少了除草和澆水帶來(lái)的人力與物力消耗，從而降低管理維護(hù)的成本[13]。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究嘗試在場(chǎng)地生境分區(qū)和小氣候特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)緊密結(jié)合自然過(guò)程、生境特征和人類行為構(gòu)建草本植物群落模式，營(yíng)造出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能突出、養(yǎng)護(hù)成本低、景觀價(jià)值高的植物景觀，不斷積累符合場(chǎng)地小氣候特征的草本植物群落設(shè)計(jì)策略，使城市小尺度綠地在有效實(shí)現(xiàn)美化環(huán)境功能的同時(shí)，調(diào)節(jié)場(chǎng)地小氣候，合理利用雨洪資源，形成一種新型的景觀設(shè)計(jì)模式，為可持續(xù)生態(tài)設(shè)計(jì)方法和生境營(yíng)造的發(fā)展開(kāi)辟新的突破點(diǎn)。

表1 基于小氣候適應(yīng)性的不同生境類型草本植物群落設(shè)計(jì)策略與目標(biāo)Tab. 1 Herbaceous plant community design strategies and objectives for different habitat types based on microclimatic adaptability

8 冬季“枯而不倒”的草本植物群落形態(tài)The herbaceous plant community form of “dry but not fallen” in winter

9 草本植物群落分層組構(gòu)模式The stratified fabric model of the herbaceous plant community

注釋：

圖1、6由王晶懋繪制；圖2～5、7由吳小輝繪制；圖8由李倉(cāng)拴拍攝；圖9由王晶懋拍攝；表1由王晶懋繪制。